ما هي الأصوات؟ أنواع الموجات الصوتية وخصائصها. معدل أخذ العينات الصوتية

الموجات الصوتية (أو الصوتية) هي موجات مرنة تنتشر في وسط بترددات تتراوح بين 16-20000 هرتز. وتسبب موجات هذه الترددات، التي تؤثر على جهاز السمع لدى الإنسان، الإحساس بالصوت. موجات مع v< 16 Гц (ннфразвуковые) и v >20 كيلو هرتز (الموجات فوق الصوتية) لا تدركها أجهزة السمع البشرية.

الموجات الصوتية في الغازات والسوائل لا يمكن أن تكون إلا طولية، لأن هذه الوسائط تكون مرنة فقط بالنسبة لتشوهات الضغط (الشد). في المواد الصلبة، يمكن أن تكون الموجات الصوتية طولية وعرضية، نظرًا لأن المواد الصلبة تتمتع بمرونة فيما يتعلق بالضغط (الشد) وتشوهات القص.

شدة الصوت (أو قوة الصوت) هي كمية تحددها متوسط ​​الطاقة الزمنية المنقولة بواسطة موجة صوتية لكل وحدة زمنية عبر وحدة مساحة متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة:

وحدة SI لشدة الصوت هي واط لكل متر مربع (W/m2).

تختلف حساسية الأذن البشرية باختلاف الترددات. ومن أجل إحداث إحساس بالصوت، يجب أن يكون للموجة حد أدنى معين من الشدة، ولكن إذا تجاوزت هذه الشدة حدًا معينًا، فلن يُسمع الصوت ولا يسبب سوى إحساس مؤلم. وبالتالي، يوجد لكل تردد تذبذب حد أدنى (عتبة السمع) وحد أقصى (عتبة الألم) لشدة الصوت التي يمكن أن تسبب إدراك الصوت. في الشكل. يوضح الشكل 223 اعتماد عتبات السمع والألم على تردد الصوت. والمنطقة الواقعة بين هذين المنحنيين هي منطقة السمع.

إذا كانت شدة الصوت هي الكمية التي تميز الصوت بشكل موضوعي عملية جديدةفإن الخاصية الذاتية للصوت المرتبطة بشدته هي ارتفاع الصوت الذي يعتمد على التردد. وفقًا لقانون فيبر-فيشنر الفسيولوجي، مع زيادة شدة الصوت، يزداد جهارة الصوت لوغاريتميًا. وعلى هذا الأساس، يتم تقديم تقييم موضوعي لحجم الصوت بناءً على القيمة المقاسة لشدته:

حيث I 0 هي شدة الصوت عند عتبة السمعية، حيث تكون جميع الأصوات 10 -12 واط/م2. تسمى القيمة L بمستوى شدة الصوت ويتم التعبير عنها بالبيلز (تكريماً لمخترع هاتف بيل). عادةً ما يستخدمون وحدات أصغر بعشر مرات - ديسيبل (ديسيبل).

السمة الفسيولوجية للصوت هي مستوى الصوت، والذي يتم التعبير عنه بالفون (فون). حجم الصوت عند 1000 هرتز (تردد النغمة النقية القياسية) يساوي 1 فون إذا كان مستوى شدته 1 ديسيبل. على سبيل المثال، الضوضاء في سيارة مترو الأنفاق بسرعة عالية تتوافق مع "90 فون، والهمس على مسافة 1 متر يتوافق مع" 20 فون.

الصوت الحقيقي هو تراكب الذبذبات التوافقية مع مجموعة كبيرة من الترددات، أي أن الصوت له طيف صوتي يمكن أن يكون مستمرا (تذبذبات جميع الترددات موجودة في فترة معينة) ومبطنا (توجد ذبذبات ترددات معينة مفصولة عن بعضها البعض ).

بالإضافة إلى الحجم، يتميز الصوت بالنغمة والجرس. درجة الصوت هي جودة الصوت التي يحددها الشخص ذاتيًا عن طريق الأذن اعتمادًا على تردد الصوت. ومع زيادة التردد، تزداد حدة الصوت، أي يصبح الصوت "أعلى". إن طبيعة الطيف الصوتي وتوزيع الطاقة بين ترددات معينة تحدد مدى تفرد الإحساس الصوتي، الذي يسمى جرس الصوت. وبالتالي، فإن المطربين المختلفين الذين يعزفون نفس النغمة لديهم طيف صوتي مختلف، أي أن أصواتهم لها جرس مختلف.

مصدر الصوت يمكن أن يكون أي جسم يهتز في وسط مرن بتردد صوتي (على سبيل المثال، في الآلات الوترية، مصدر الصوت هو وتر متصل بجسم الآلة).

من خلال التذبذب، يسبب الجسم اهتزازات لجزيئات الوسط المجاورة بنفس التردد. تنتقل حالة الحركة التذبذبية تباعا إلى جزيئات الوسط التي تزداد بعدا عن الجسم، أي تنتشر الموجة في الوسط بتردد تذبذب يساوي تردد مصدرها، وبسرعة معينة حسب الكثافة والخصائص المرنة للوسط. يتم حساب سرعة انتشار الموجات الصوتية في الغازات بواسطة الصيغة

(158.1)

حيث R هو ثابت الغاز المولي، M هي الكتلة المولية، g = C p /C v هي نسبة السعات الحرارية المولية للغاز عند ضغط وحجم ثابتين، T هي درجة الحرارة الديناميكية الحرارية. ويترتب على الصيغة (158.1) أن سرعة الصوت في الغاز لا تعتمد على الضغط صغاز ولكنه يزداد مع زيادة درجة الحرارة. كلما زادت الكتلة المولية للغاز، انخفضت سرعة الصوت. على سبيل المثال، عند T = 273 K، سرعة الصوت في الهواء (M = 29×10 -3 كجم/مول) v = 331 م/ث، في الهيدروجين (M = 2×10 -3 كجم/مول) v = 1260 م/ث . التعبير (158.1) يتوافق مع البيانات التجريبية.

عند انتشار الصوت في الغلاف الجوي، من الضروري مراعاة عدد من العوامل: سرعة الرياح واتجاهها، ورطوبة الهواء، والتركيب الجزيئي للوسط الغازي، وظاهرة انكسار وانعكاس الصوت عند حدود الوسطين. بالإضافة إلى ذلك، فإن أي وسط حقيقي له لزوجة، لذلك يلاحظ توهين الصوت، أي انخفاض في اتساعه، وبالتالي شدة الموجة الصوتية أثناء انتشارها. يرجع توهين الصوت إلى حد كبير إلى امتصاصه في الوسط، المرتبط بالانتقال الذي لا رجعة فيه للطاقة الصوتية إلى أشكال أخرى من الطاقة (الحرارية بشكل أساسي).

لصوتيات الغرفة قيمة عظيمةله صدى صوتي - عملية التوهين التدريجي للصوت في الأماكن المغلقة بعد إيقاف مصدره. إذا كانت الغرف فارغة، فإن الصوت يتلاشى ببطء ويتم إنشاء "ازدهار" للغرفة. إذا تلاشت الأصوات بسرعة (عند استخدام مواد ممتصة للصوت)، فسيتم اعتبارها مكتومة. وقت الصدى هو الوقت الذي يتم فيه تخفيف شدة الصوت في الغرفة بالملايين ومستواه بمقدار 60 ديسيبل. تتمتع الغرفة بصوتيات جيدة إذا كان زمن الصدى يتراوح بين 0.5 و1.5 ثانية.

إن الإحساس المحدد الذي ندركه على أنه صوت هو نتيجة تأثير الحركة التذبذبية لوسط مرن على المعينة السمعية البشرية - الهواء في أغلب الأحيان. يتم إثارة الاهتزازات في الوسط بواسطة مصدر صوتي، وتنتشر عبر الوسط، وتصل إلى جهاز الاستقبال - أذننا. وبالتالي، فإن التنوع اللانهائي للأصوات التي نسمعها ناتج عن عمليات تذبذبية تختلف عن بعضها البعض في التردد والسعة. لا ينبغي للمرء أن يخلط بين وجهين لنفس الظاهرة: الصوت كعملية فيزيائية هو حالة خاصة من الحركة التذبذبية؛ باعتباره ظاهرة نفسية فسيولوجية، فإن الصوت هو إحساس محدد، وقد تمت الآن دراسة آلية حدوثه بشيء من التفصيل.

عند الحديث عن الجانب المادي للظاهرة، فإننا نميز الصوت من خلال شدته (قوته)، وتكوينه وتكرار العمليات التذبذبية المرتبطة به؛ مع الأخذ في الاعتبار الأحاسيس الصوتية، نتحدث عن الحجم والجرس وطبقة الصوت.

في المواد الصلبة، يمكن أن ينتشر الصوت في شكل اهتزازات طولية وعرضية. نظرًا لأن السوائل والغازات لا تتمتع بمرونة القص، فمن الواضح أنه في الوسائط الغازية والسائلة يمكن أن ينتشر الصوت فقط في شكل اهتزازات طولية. وفي الغازات والسوائل، تمثل الموجات الصوتية تكاثفات وتخلخلات متناوبة للوسط، تبتعد عن مصدر الصوت بسرعة معينة مميزة لكل وسط. سطح الموجة الصوتية هو الموقع الهندسي لجزيئات الوسط التي لها نفس مرحلة التذبذب. فيمكن مثلا رسم سطوح الموجات الصوتية بحيث يكون بين سطوح الموجات المتجاورة طبقة من التكاثف وطبقة من الخلخلة. ويسمى الاتجاه العمودي على سطح الموجة بالشعاع.

يمكن تصوير الموجات الصوتية في وسط غازي. ولهذا الغرض أ

لوحة فوتوغرافية يتم توجيه شعاع الضوء من شرارة كهربائية عليها من الأمام بحيث تسقط هذه الأشعة من وميض الضوء اللحظي على لوحة التصوير الفوتوغرافي بعد مرورها في الهواء، مصدر المحيطةصوت. في الشكل. 158-160 تظهر صوراً للموجات الصوتية التي تم الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة. تم فصل مصدر الصوت عن لوحة التصوير الفوتوغرافي بواسطة شاشة صغيرة على حامل.

في الشكل. 158، لكن من الواضح أن الموجة الصوتية قد خرجت للتو من خلف الشاشة؛ في الشكل. 158، ب تم تصوير نفس الموجة مرة ثانية بعد بضعة أجزاء من الألف من الثانية. سطح الموجة في هذه الحالة هو المجال. تظهر الصورة صورة الموجة على شكل دائرة يزيد نصف قطرها بمرور الوقت.

أرز. 158. صورة لموجة صوتية في نقطتين زمنيتين (أ و ب). انعكاس الموجة الصوتية (ج).

في الشكل. 158، ج يعرض صورة لموجة صوتية كروية تنعكس من جدار مسطح. وهنا يجب الانتباه إلى حقيقة أن الجزء المنعكس من الموجة يبدو وكأنه يأتي من نقطة تقع خلف السطح العاكس على نفس المسافة من السطح العاكس مثل مصدر الصوت. ومن المعروف أن الصدى يفسر بظاهرة انعكاس الموجات الصوتية.

في الشكل. يوضح الشكل 159 التغير في سطح الموجة عندما تمر موجة صوتية عبر كيس على شكل عدسة مملوء بالهيدروجين. هذا التغيير في سطح الموجة الصوتية هو نتيجة لانكسار (انكسار) الأشعة الصوتية: عند السطح البيني بين وسطين، حيث تختلف سرعة الموجات، يتغير اتجاه انتشار الموجة.

أرز. 160 يعيد إنتاج صورة للموجات الصوتية، حيث يتم وضع شاشة ذات أربعة شقوق في مسارها. عند مرورها عبر الشقوق، تنحني الموجات حول الشاشة. وتسمى ظاهرة انحناء الموجات حول العوائق المصادفة بالحيود.

يمكن استخلاص قوانين انتشار الموجات الصوتية وانعكاسها وانكسارها وحيودها من مبدأ هيجنز الذي بموجبه يهتز كل جسيم

يمكن اعتبار البيئة مركزًا (مصدرًا) جديدًا للموجات؛ إن تداخل كل هذه الموجات ينتج عنه موجة ملحوظة بالفعل (سيتم شرح تطبيق مبدأ هويجنز في المجلد الثالث باستخدام مثال موجات الضوء).

تحمل الموجات الصوتية قدرًا معينًا من الحركة، ونتيجة لذلك، تمارس الضغط على العوائق التي تواجهها.

أرز. 159. انكسار الموجة الصوتية.

أرز. 160. حيود الموجات الصوتية.

لتوضيح هذه الحقيقة، دعونا ننتقل إلى الشكل. 161. في هذا الشكل، يُظهر الخط المنقط شكلًا جيبيًا لإزاحات جزيئات الوسط في وقت ما أثناء انتشار الموجات الطولية في الوسط. سيتم تمثيل سرعات هذه الجسيمات في الوقت الحالي بموجة جيب التمام، أو، وهو نفس الشيء، شبه جيبي يسبق الإزاحة الجيوب الأنفية بربع الفترة (الخط المتصل في الشكل 161). ليس من الصعب أن نتخيل أنه سيتم ملاحظة تكاثف الوسط حيث تكون إزاحة الجزيئات، في لحظة معينة، صفرًا أو قريبة من الصفر وحيث يتم توجيه السرعة في اتجاه انتشار الموجة. على العكس من ذلك، سيتم ملاحظة تخلخل الوسط عندما تكون إزاحة الجسيمات أيضًا صفرًا أو قريبة من الصفر، ولكن عندما يتم توجيه سرعة الجسيمات في الاتجاه المعاكس لانتشار الموجات. لذلك، في حالة التكثيف تتحرك الجسيمات للأمام، وفي حالة الخلخلة تتحرك إلى الخلف. ولكن في

أرز. 161. في تكثيفات موجة صوتية عابرة، تتحرك الجسيمات إلى الأمام،

يوجد عدد أكبر من الجزيئات في الطبقات المكثفة مقارنة بالخلخلة. وبالتالي، في أي لحظة من الزمن أثناء انتقال الموجات الصوتية الطولية، يكون عدد الجسيمات التي تتحرك للأمام أكبر قليلًا من عدد الجسيمات التي تتحرك للخلف. ونتيجة لذلك، تحمل الموجة الصوتية معها قدرًا معينًا من الحركة، والذي يتجلى في الضغط الذي تمارسه الموجات الصوتية على العوائق التي تواجهها.

تمت دراسة ضغط الصوت بشكل تجريبي بواسطة رايلي وبيوتر نيكولاييفيتش ليبيديف.

من الناحية النظرية، يتم تحديد سرعة الصوت بواسطة صيغة لابلاس [§ 65، الصيغة (5)]:

حيث K هو معامل المرونة الشاملة (عند إجراء الضغط دون تدفق الحرارة وفقدانها)، والكثافة.

إذا تم تنفيذ ضغط الجسم مع الحفاظ على درجة حرارة الجسم ثابتة، فإن القيم التي تم الحصول عليها لمعامل المرونة تكون أصغر مما كانت عليه في الحالة عندما يتم الضغط دون تدفق ونقل الحرارة. ترتبط هاتان القيمتان لمعامل المرونة الشاملة، كما ثبت في الديناميكا الحرارية، بنفس الطريقة التي ترتبط بها السعة الحرارية لجسم عند ضغط ثابت بالسعة الحرارية لجسم عند حجم ثابت.

بالنسبة للغازات (غير المضغوطة جدًا)، فإن المعامل متساوي الحرارة للمرونة الشاملة يساوي ببساطة ضغط الغاز، إذا قمنا، دون تغيير درجة حرارة الغاز، بضغط الغاز (زيادة كثافته) بعامل، ثم الضغط من الغاز سوف تزيد بمقدار عامل. وبالتالي، وفقا لصيغة لابلاس، اتضح أن سرعة الصوت في الغاز لا تعتمد على كثافة الغاز.

من قوانين الغازات وصيغة لابلاس يمكن استنتاج (§ 134) أن سرعة الصوت في الغازات تتناسب مع الجذر التربيعي لدرجة الحرارة المطلقة للغاز:

أين تسارع الجاذبية ونسبة السعات الحرارية وثابت الغاز العالمي.

عند C تكون سرعة الصوت في الهواء الجاف متساوية؛ وعند متوسط ​​درجات الحرارة ومتوسط ​​الرطوبة تعتبر سرعة الصوت في الهواء متساوية؛

في الماء سرعة الصوت في الزجاج في الحديد

وتجدر الإشارة إلى أن الموجات الصوتية الصادمة الناتجة عن إطلاق النار أو الانفجار في بداية طريقها لها سرعة

متفوقة بشكل ملحوظ السرعة العاديةالصوت في بيئة معينة. يمكن لموجة صوتية صادمة في الهواء ناجمة عن انفجار قوي أن تكون سرعتها بالقرب من مصدر الصوت أعلى بعدة مرات من السرعة العادية للصوت في الهواء، ولكن بالفعل على مسافة عشرات الأمتار من موقع الانفجار، تقل سرعتها انتشار الموجة ينخفض ​​إلى القيمة العادية.

كما ذكرنا سابقًا في الفقرة 65، فإن الموجات الصوتية ذات الأطوال المختلفة لها نفس السرعة تقريبًا. الاستثناء هو مناطق التردد التي تتميز بالتوهين السريع للموجات المرنة أثناء انتشارها في الوسط قيد النظر. عادة، تقع هذه الترددات خارج نطاق السمع (بالنسبة للغازات عند الضغط الجوي، فهذه ترددات بترتيب الاهتزازات في الثانية). يوضح التحليل النظري أن تشتت وامتصاص الموجات الصوتية يرتبطان بحقيقة أن إعادة توزيع الطاقة بين الحركات الانتقالية والاهتزازية للجزيئات تتطلب بعض الوقت، وإن كان قصيرًا. يؤدي هذا إلى انتقال الموجات الطويلة (الموجات الموجودة في النطاق الصوتي) بشكل أبطأ إلى حد ما من الموجات القصيرة جدًا "غير المسموعة". وهكذا، في بخار ثاني أكسيد الكربون عند الضغط الجوي، يكون للصوت سرعة، بينما تنتشر الموجات القصيرة جدًا "غير المسموعة" بسرعة

يمكن أن يكون للموجة الصوتية التي تنتشر في وسط ما أشكال مختلفة، اعتمادًا على حجم مصدر الصوت وشكله. في الحالات الأكثر إثارة للاهتمام من الناحية الفنية، يكون مصدر الصوت (الباعث) عبارة عن سطح مهتز، مثل غشاء الهاتف أو ناشر مكبر الصوت. إذا كان مصدر الصوت هذا يصدر موجات صوتية إلى الفضاء المفتوح، فإن شكل الموجة يعتمد بشكل كبير على الأبعاد النسبية للباعث؛ والباعث الذي تكون أبعاده كبيرة مقارنة بطول الموجة الصوتية، يصدر طاقة صوتية في اتجاه واحد فقط، وهو اتجاه حركته التذبذبية. على العكس من ذلك، فإن المبرد ذو الحجم الصغير بالنسبة للطول الموجي يصدر طاقة صوتية في جميع الاتجاهات. من الواضح أن شكل جبهة الموجة في كلتا الحالتين سيكون مختلفًا.

دعونا ننظر في الحالة الأولى أولا. دعونا نتخيل سطحًا مستوًا صلبًا بحجم كبير بما فيه الكفاية (بالمقارنة مع الطول الموجي)، يقوم بحركات تذبذبية في الاتجاه الطبيعي. بالمضي قدمًا، يخلق مثل هذا السطح تكاثفًا أمام نفسه، والذي، بسبب مرونة الوسط، سوف ينتشر في اتجاه إزاحة الباعث). وبالرجوع إلى الخلف، يخلق الباعث فراغًا خلفه، والذي سيتحرك في الوسط بعد التكثيف الأولي. خلال تذبذب الباعث قصير المدى سنلاحظ موجة صوتية على جانبيه، تتميز بأن جميع جزيئات الوسط تقع على مسافة متساوية من السطح المشع متوسط ​​الكثافة للوسط والوسط. سرعة الصوت ج:

يسمى حاصل ضرب متوسط ​​كثافة الوسط وسرعة الصوت المقاومة الصوتيةبيئة.

المقاومة الصوتية عند 20 درجة مئوية

(انظر المسح)

دعونا الآن ننظر في حالة الموجات الكروية. وعندما تصبح أبعاد السطح الباعث صغيرة مقارنة بطول الموجة، فإن مقدمة الموجة تكون منحنية بشكل ملحوظ. يحدث هذا لأن طاقة الاهتزاز تنتشر في كل الاتجاهات من الباعث.

يمكن فهم هذه الظاهرة بشكل أفضل من خلال المثال البسيط التالي. لنتخيل أن جذعًا طويلًا سقط على سطح الماء. تنتقل الموجات الناتجة في صفوف متوازية على جانبي الجذع. ويختلف الوضع عندما يتم إلقاء حجر صغير في الماء، فتنتشر الأمواج في دوائر متحدة المركز. السجل كبير نسبيا

مع الطول الموجي على سطح الماء. تمثل صفوف الموجات المتوازية المنبعثة منه نموذجًا مرئيًا للموجات المستوية. الحجر صغير الحجم. فالدوائر المتباعدة عن مكان سقوطه تعطينا نموذجاً للموجات الكروية. عندما تنتشر موجة كروية، فإن سطح مقدمة الموجة يزداد بما يتناسب مع مربع نصف قطرها. عند قوة ثابتة لمصدر الصوت، تكون الطاقة المتدفقة عبر كل سنتيمتر مربع من سطح كروي نصف قطره متناسبة عكسيًا بما أن طاقة الاهتزازات تتناسب مع مربع السعة، فمن الواضح أن سعة الاهتزازات في أ. يجب أن تتناقص الموجة الكروية مع عكس القوة الأولى للمسافة من مصدر الصوت. وبالتالي فإن معادلة الموجة الكروية لها الشكل التالي:

يحدث في الوسائط الغازية والسائلة والصلبة التي عند وصولها إلى أعضاء السمع لدى الإنسان يدركها سليمة. ويتراوح تردد هذه الموجات من 20 إلى 20 ألف ذبذبة في الثانية. دعونا نقدم صيغ الموجة الصوتية وننظر في خصائصها بمزيد من التفصيل.

لماذا تظهر الموجة الصوتية؟

يتساءل الكثير من الناس ما هي الموجة الصوتية؟ تكمن طبيعة الصوت في حدوث اضطراب في وسط مرن. على سبيل المثال، عندما يحدث اضطراب في الضغط على شكل انضغاط في حجم معين من الهواء، فإن هذه المنطقة تميل إلى الانتشار في الفضاء. تؤدي هذه العملية إلى ضغط الهواء في المناطق المجاورة للمصدر، والتي تميل أيضًا إلى التوسع. تغطي هذه العملية مساحة كبيرة بشكل متزايد و معظمالفضاء حتى تصل إلى جهاز استقبال ما، مثل الأذن البشرية.

الخصائص العامة للموجات الصوتية

دعونا نفكر في الأسئلة المتعلقة بماهية الموجة الصوتية وكيف تدركها الأذن البشرية. تكون الموجة الصوتية طولية، وعندما تدخل محارة الأذن فإنها تسبب اهتزازات في طبلة الأذن بتردد وسعة معينين. يمكنك أيضًا أن تتخيل هذه التقلبات على أنها تغيرات دورية في الضغط في حجم صغير من الهواء المجاور للغشاء. في البداية يزداد بالنسبة إلى الضغط الجوي الطبيعي، ثم يتناقص، مع مراعاة القوانين الرياضية للحركة التوافقية. إن سعة التغيرات في ضغط الهواء، أي الفرق بين الحد الأقصى أو الأدنى للضغط الناتج عن الموجة الصوتية مع الضغط الجوي، يتناسب مع سعة الموجة الصوتية نفسها.

أظهرت العديد من التجارب الفيزيائية أن أقصى ضغط يمكن أن تدركه الأذن البشرية دون الإضرار بها هو 2800 ميكرون/سم2. للمقارنة، لنفترض أن الضغط الجوي بالقرب من سطح الأرض يبلغ 10 ملايين ميكرون/سم2. بالنظر إلى تناسب الضغط وسعة التذبذبات، يمكننا القول أن القيمة الأخيرة غير مهمة حتى بالنسبة لأقوى الموجات. إذا تحدثنا عن طول الموجة الصوتية، فبالنسبة لتردد 1000 اهتزاز في الثانية، فسيكون جزءًا من الألف من السنتيمتر.

أضعف الأصوات تخلق تقلبات ضغط تصل إلى 0.001 ميكرون/سم 2، والسعة المقابلة لتذبذبات الموجة لتردد 1000 هرتز هي 10 -9 سم، في حين أن متوسط ​​قطر جزيئات الهواء هو 10 -8 سم، أي: الأذن البشرية عضو حساس للغاية.

مفهوم شدة الموجة الصوتية

من وجهة نظر هندسية، الموجة الصوتية هي تذبذب شكل معينمن الناحية الفيزيائية، فإن الخاصية الرئيسية للموجات الصوتية هي قدرتها على نقل الطاقة. وأهم مثال على نقل الطاقة الموجية هو الشمس، حيث توفر موجاتها الكهرومغناطيسية المنبعثة الطاقة لكوكبنا بأكمله.

يتم تعريف شدة الموجة الصوتية في الفيزياء على أنها كمية الطاقة التي تنقلها الموجة عبر وحدة مساحة السطح التي تكون متعامدة مع انتشار الموجة، وفي وحدة زمنية. باختصار، شدة الموجة هي قدرتها المنقولة عبر وحدة المساحة.

عادة ما يتم قياس قوة الموجات الصوتية بالديسيبل، والتي تعتمد على مقياس لوغاريتمي، وهو مناسب للتحليل العملي للنتائج.

شدة الأصوات المختلفة

المقياس التالي بالديسيبل يعطي فكرة عن قيمة الاختلاف والأحاسيس التي يسببها:

• تبدأ عتبة الأحاسيس غير السارة وغير المريحة عند 120 ديسيبل؛
• مطرقة التثبيت تخلق ضجيجًا قدره 95 ديسيبل ؛
• قطار فائق السرعة - 90 ديسيبل؛
• شارع به حركة مرور كثيفة - 70 ديسيبل؛
• حجم المحادثة العادية بين الناس هو 65 ديسيبل؛
• سيارة حديثة تتحرك بسرعات معتدلة تخلق مستوى ضوضاء يصل إلى 50 ديسيبل.
• متوسط ​​حجم الراديو - 40 ديسيبل؛
• محادثة هادئة - 20 ديسيبل؛
• ضجيج أوراق الشجر - 10 ديسيبل ؛
• الحد الأدنى لحساسية الصوت البشري يقترب من 0 ديسيبل.

تعتمد حساسية الأذن البشرية على تردد الصوت وتكون الحد الأقصى للموجات الصوتية بتردد 2000-3000 هرتز. بالنسبة للصوت في نطاق التردد هذا، فإن الحد الأدنى لحساسية الإنسان هو 10 -5 ديسيبل. تؤدي الترددات الأعلى والأدنى من الفاصل الزمني المحدد إلى زيادة عتبة الحساسية المنخفضة بحيث يسمع الشخص ترددات قريبة من 20 هرتز و 20000 هرتز فقط بكثافة عدة عشرات من الديسيبل.

أما بالنسبة للحدة العليا للكثافة، وبعدها يبدأ الصوت في التسبب في إزعاج الشخص وحتى الألم، فينبغي القول أنه مستقل عمليا عن التردد ويقع في حدود 110-130 ديسيبل.

الخصائص الهندسية للموجة الصوتية

الموجة الصوتية الحقيقية عبارة عن حزمة متذبذبة معقدة من الموجات الطولية، والتي يمكن أن تتحلل إلى اهتزازات توافقية بسيطة. يتم وصف كل تذبذب من وجهة نظر هندسية بالخصائص التالية:

1. السعة هي أقصى انحراف لكل قسم من الموجة عن التوازن. تم اعتماد التسمية A لهذه الكمية.
2. فترة. هذا هو الوقت الذي تكمل فيه الموجة البسيطة تذبذبها الكامل. بعد هذا الوقت، تبدأ كل نقطة من الموجة في تكرار عمليتها التذبذبية. يُشار إلى الفترة عادةً بالحرف T ويتم قياسها بالثواني في نظام SI.
3. تكرار. هذه كمية فيزيائية توضح عدد الاهتزازات التي تحدثها موجة معينة في الثانية. أي أنها في معناها كمية متبادلة مع الفترة. تم تعيينه ف. بالنسبة لتردد الموجة الصوتية، فإن صيغة تحديده خلال فترة هي كما يلي: f = 1/T.
4. الطول الموجي هو المسافة التي يقطعها الجسم خلال فترة تذبذب واحدة. هندسيًا، الطول الموجي هو المسافة بين أقرب حدين أقصى أو أقرب حدين صغريين على منحنى جيبي. طول تذبذب الموجة الصوتية هو المسافة بين أقرب مناطق انضغاط الهواء أو أقرب أماكن خلخلته في الفضاء الذي تتحرك فيه الموجة. وعادة ما يشار إليه بالحرف اليوناني π.
5. سرعة انتشار الموجة الصوتية هي المسافة التي تنتشر عبرها منطقة الضغط أو منطقة الخلخلة للموجة لكل وحدة زمنية. يُشار إلى هذه القيمة بالحرف v. بالنسبة لسرعة الموجة الصوتية، الصيغة هي: v = lect*f.

هندسة الموجة الصوتية النقية، أي موجة من النقاء المستمر، تخضع للقانون الجيبي. في الحالة العامة، صيغة الموجة الصوتية لها الشكل: y = A*sin(ωt)، حيث y هي القيمة الإحداثية لنقطة معينة على الموجة، t هو الوقت، ω = 2*pi*f هي التردد الدوري للتذبذبات.

صوت غير دوري

يمكن اعتبار العديد من مصادر الصوت دورية، على سبيل المثال الصوت الصادر من الآلات الموسيقية مثل الجيتار، والبيانو، والفلوت، ولكن هناك أيضًا عدد كبيرالأصوات في الطبيعة غير دورية، أي أن الاهتزازات الصوتية تغير ترددها وشكلها في الفضاء. ومن الناحية الفنية، يسمى هذا النوع من الصوت بالضوضاء. من الأمثلة الحية على الصوت غير الدوري ضوضاء المدينة وضوضاء البحر وأصوات آلات الإيقاع مثل الطبلة وغيرها.

وسط انتشار الموجات الصوتية

على عكس الإشعاع الكهرومغناطيسي، الذي لا تحتاج فوتوناته إلى أي وسط مادي لانتشارها، فإن طبيعة الصوت تتطلب وسطًا معينًا لانتشاره، أي أنه وفقًا لقوانين الفيزياء، لا يمكن للموجات الصوتية أن تنتشر في الفراغ.

يمكن للصوت أن ينتقل في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. الخصائص الرئيسية للموجة الصوتية التي تنتشر في وسط ما هي كما يلي:

• تنتشر الموجة خطيًا.
• فهو ينتشر بالتساوي في جميع الاتجاهات في وسط متجانس، أي أن الصوت ينحرف عن المصدر، مشكلًا سطحًا كرويًا مثاليًا.
• وبغض النظر عن سعة الصوت وتردده، فإن موجاته تنتشر بنفس السرعة في وسط معين.

سرعة الموجات الصوتية في الوسائط المختلفة

تعتمد سرعة انتشار الصوت على عاملين رئيسيين: الوسط الذي تنتقل فيه الموجة ودرجة الحرارة. وبشكل عام تنطبق القاعدة التالية: كلما كان الوسط أكثر كثافة، وكلما ارتفعت درجة حرارته، كلما تحرك الصوت فيه بشكل أسرع.

على سبيل المثال، سرعة انتشار الموجة الصوتية في الهواء بالقرب من سطح الأرض عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ورطوبة 50% هي 1235 كم/ساعة أو 343 م/ث. في الماء عند درجة حرارة معينة، يتحرك الصوت أسرع بمقدار 4.5 مرة، أي حوالي 5735 كم/ساعة أو 1600 م/ث. أما اعتماد سرعة الصوت على درجة حرارة الهواء فإنها تزيد بمقدار 0.6 م/ث مع زيادة درجة الحرارة لكل درجة مئوية.

جرس ونغمة

إذا سمح لوتر أو لوحة معدنية أن تهتز بحرية، فإنها ستنتج أصواتًا ذات ترددات مختلفة. من النادر جدًا أن تجد جسمًا يصدر صوتًا بتردد واحد محدد؛ وعادةً ما يكون لصوت الجسم مجموعة من الترددات في فترة زمنية معينة.

يتم تحديد جرس الصوت من خلال عدد التوافقيات الموجودة فيه وشدتها. Timbre هي قيمة ذاتية، أي أنها تصور كائن سبر من قبل شخص معين. يتميز Timbre عادة بالصفات التالية: عالي، لامع، رنان، لحني، وما إلى ذلك.

النغمة هي إحساس صوتي يسمح بتصنيفها على أنها عالية أو منخفضة. هذه القيمة أيضًا ذاتية ولا يمكن قياسها بأي أداة. ترتبط النغمة بكمية موضوعية - تردد الموجة الصوتية، ولكن لا يوجد اتصال واضح بينهما. على سبيل المثال، بالنسبة للصوت أحادي التردد ذي الشدة الثابتة، تزداد النغمة مع زيادة التردد. فإذا ظل تردد الصوت ثابتا وازدادت شدته، فإن النغمة تصبح أقل.

شكل مصادر الصوت

حسب شكل الجسم الذي يؤديه الاهتزازات الميكانيكيةوبالتالي يولد موجات من ثلاثة أنواع رئيسية:

1. مصدر النقطة. وينتج موجات صوتية كروية تضمحل بسرعة مع المسافة من المصدر (حوالي 6 ديسيبل إذا تضاعفت المسافة من المصدر).
2. مصدر الخط. إنه يخلق موجات أسطوانية تتناقص شدتها بشكل أبطأ من مصدر نقطي (لكل زيادة في المسافة بمقدار مرتين بالنسبة للمصدر، تنخفض الشدة بمقدار 3 ديسيبل).
3. مصدر مسطح أو ثنائي الأبعاد. يولد موجات فقط في اتجاه معين. مثال على هذا المصدر هو المكبس الذي يتحرك داخل الاسطوانة.

مصادر الصوت الإلكترونية

لإنشاء موجة صوتية، تستخدم المصادر الإلكترونية غشاء خاص (مكبر صوت)، يقوم بإجراء اهتزازات ميكانيكية بسبب هذه الظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. وتشمل هذه المصادر ما يلي:

• مشغلات الأقراص المختلفة (CD، DVD وغيرها)؛
• مسجلات الكاسيت؛
• أجهزة الراديو.
• أجهزة التلفاز وبعض الآخرين.

الصوت عبارة عن اهتزازات ميكانيكية تنتشر في وسط مادي مرن بشكل أساسي على شكل موجات طولية.

في الفراغ، لا ينتشر الصوت، لأن نقل الصوت يتطلب وسطًا ماديًا واتصالًا ميكانيكيًا بين جزيئات الوسط المادي.

في الوسط، ينتقل الصوت على شكل موجات صوتية. الموجات الصوتية هي اهتزازات ميكانيكية تنتقل في وسط باستخدام جزيئاته الشرطية. الجسيمات التقليدية للوسط تعني أحجامها الدقيقة.

الخصائص الفيزيائية الأساسية للموجة الصوتية:

1. التردد.

تكرارموجة الصوت هي الحجم يساوي عدد الاهتزازات الكاملة في وحدة الزمن. يشار إليه بالرمز ضد (ناقص) وقياسها في هيرتز. 1 هرتز = 1 عدد/ثانية = [ s -1 ].

ينقسم مقياس اهتزاز الصوت إلى فترات التردد التالية:

· الموجات فوق الصوتية (من 0 إلى 16 هرتز)؛

· صوت مسموع (من 16 إلى 16000 هرتز)؛

· الموجات فوق الصوتية (أكثر من 16000 هرتز).

يرتبط تردد الموجة الصوتية ارتباطًا وثيقًا بكميتها العكسية – فترة الموجة الصوتية. فترةالموجة الصوتية هي زمن الاهتزاز الكامل لجزيئات الوسط. معين تويتم قياسها بالثواني [ث].

وفقاً لاتجاه اهتزاز جزيئات الوسط الناقل للموجة الصوتية، تنقسم الموجات الصوتية إلى:

· طولية.

· عرضية.

بالنسبة للموجات الطولية، فإن اتجاه اهتزاز جزيئات الوسط يتزامن مع اتجاه انتشار الموجة الصوتية في الوسط (الشكل 1).

بالنسبة للموجات المستعرضة، تكون اتجاهات اهتزاز جزيئات الوسط متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة الصوتية (الشكل 2).

أرز. 1 الشكل. 2

تنتشر الموجات الطولية في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. عرضية - فقط في المواد الصلبة.

3. شكل الاهتزازات.

تنقسم الموجات الصوتية حسب شكل الاهتزازات إلى:

· موجات بسيطة.

موجات معقدة.

الرسم البياني للموجة البسيطة هو موجة جيبية.

الرسم البياني للموجة المعقدة هو أي منحنى دوري غير جيبي .

4. الطول الموجي.

الطول الموجي هو الكميةتساوي المسافة التي تنتقل خلالها الموجة الصوتية في زمن يساوي فترة واحدة. تم تحديده بـ (لامدا) ويتم قياسه بالأمتار (م)، السنتيمترات (سم)، المليمترات (مم)، الميكرومترات (ميكرومتر).

يعتمد الطول الموجي على الوسط الذي ينتقل فيه الصوت.

5. سرعة الموجة الصوتية.

سرعة الموجة الصوتيةهي سرعة انتشار الصوت في وسط به مصدر صوت ثابت. يُشار إليه بالرمز v، ويُحسب بالصيغة:

تعتمد سرعة الموجة الصوتية على نوع الوسط ودرجة الحرارة. تكون سرعة الصوت أعلى في الأجسام الصلبة المرنة، وأقل في السوائل، وأدنى في الغازات.

هواء، الضغط الجوي الطبيعي، درجة الحرارة - 20 درجة، الخامس = 342 م/ث؛

الماء، درجة الحرارة 15-20 درجة، الخامس = 1500 م / ث؛

المعادن، v = 5000-10000 م/ث.

تزداد سرعة الصوت في الهواء بمقدار 0.6 م/ث تقريبًا مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات.

المحاضرة 3 الصوتيات. صوت

1. الصوت، أنواع الصوت.

2. الخصائص الجسديةصوت.

3. خصائص الإحساس السمعي. قياسات الصوت.

4. مرور الصوت عبر الواجهة.

5. طرق سليمةبحث.

6. العوامل المحددة لمنع الضوضاء. الحماية من الضوضاء.

7. المفاهيم والصيغ الأساسية. الجداول.

8. المهام.

الصوتيات.بالمعنى الواسع، هو فرع من فروع الفيزياء يدرس الموجات المرنة من أدنى الترددات إلى أعلى الترددات. بالمعنى الضيق، هي دراسة الصوت.

الصوت بالمعنى الواسع هو اهتزازات وموجات مرنة تنتشر في المواد الغازية والسائلة والصلبة. بالمعنى الضيق، وهي ظاهرة تدركها أجهزة السمع لدى الإنسان والحيوان بشكل ذاتي.

عادة، تسمع الأذن البشرية الصوت في نطاق الترددات من 16 هرتز إلى 20 كيلو هرتز. ومع ذلك، مع تقدم العمر، يتناقص الحد الأعلى لهذا النطاق:

يسمى الصوت بتردد أقل من 16-20 هرتز الموجات فوق الصوتية,فوق 20 كيلو هرتز -الموجات فوق الصوتية،وأعلى تردد للموجات المرنة في المدى من 10 9 إلى 10 12 هرتز - فرط الصوت.

تنقسم الأصوات الموجودة في الطبيعة إلى عدة أنواع.

نغمة -إنه صوت عملية دورية. السمة الرئيسية للنغمة هي التردد. لهجة بسيطةيتم إنشاؤها بواسطة جسم يهتز وفقًا للقانون التوافقي (على سبيل المثال، الشوكة الرنانة). نغمة معقدةيتم إنشاؤه بواسطة تذبذبات دورية غير متناغمة (على سبيل المثال، صوت آلة موسيقية، الصوت الناتج عن جهاز الكلام البشري).

ضوضاءهو صوت له اعتماد معقد وغير متكرر على الوقت وهو عبارة عن مزيج من النغمات المعقدة المتغيرة بشكل عشوائي (حفيفة الأوراق).

طفرة سونيك- وهذا تأثير صوتي قصير المدى (تصفيق، انفجار، ضربة، رعد).

يمكن تمثيل النغمة المعقدة، كعملية دورية، كمجموع من النغمات البسيطة (مقسمة إلى نغمات مكونة). ويسمى هذا التحلل نطاق.

الطيف الصوتي للنغمة هو مجموع جميع تردداتها، مما يشير إلى شدتها أو اتساعها النسبي.

أدنى تردد في الطيف (ν) يتوافق مع النغمة الأساسية، وتسمى الترددات المتبقية النغمات أو التوافقيات. النغمات لها ترددات هي مضاعفات التردد الأساسي: 2ν، 3ν، 4ν، ...

عادةً ما تتوافق أكبر سعة للطيف مع النغمة الأساسية. وهذا هو ما تدركه الأذن على أنه طبقة الصوت (انظر أدناه). النغمات تخلق "لون" الصوت. يتم إدراك الأصوات ذات الطبقة نفسها الناتجة عن أدوات مختلفة بشكل مختلف عن طريق الأذن على وجه التحديد بسبب العلاقات المختلفة بين اتساع النغمات. يوضح الشكل 3.1 أطياف نفس النغمة (ν = 100 هرتز) التي يتم عزفها على البيانو والكلارينيت.

أرز. 3.1.أطياف نغمات البيانو (أ) والكلارينيت (ب).

الطيف الصوتي للضوضاء هو مستمر.